马来酸的红外光谱定性分析讲义

实验八马来酸的红外光谱定性分析

【实验目的】

1. 了解傅立叶变换红外光谱仪的基本构造及工作原理；

2. 掌握红外光谱分析的基础实验技术；

3. 学会用傅立叶变换红外光谱仪进行样品测试；

4. 掌握几种常用的红外光谱解析方法。

【实验要求】

利用所学过的红外光谱知识对马来酸的定性分析制定出合理的样品制备方法；并对其谱图给出基本的解析。

【实验原理】

红外光是一种波长介于可见光区和微波区之间的电磁波。波长在0.78～300μm。通常又把这个波段分成三个区域，即近红外区：波长在0.78～2.5μm（波数在12820～4000cm -1），又称泛频区；中红外区：波长在2.5～25μm（波数在4000～400cm -1），又称基频区；远红外区：波长在25～300μm（波数在400～33cm -1），又称转动区。其中中红外区是研究、应用最多的区域。

分子吸收红外光子，从低的振动能级向高的振动能级跃迁时，而产生红外吸收光谱。在分子中发生振动能级跃迁所需要的能量大于转动能级跃迁所需要的能量，所以发生振动能级跃迁的同时，必然伴随转动能级的跃迁，使振动光谱呈带状。所以分子的红外光谱属带状光谱。只有偶极矩大小或方向有一定改变的振动才能吸收红外光，发生振动能级跃迁，产生红外光谱。不引起偶极变化的振动，无红外光谱吸收带。

π和c 为常数，吸收频率随键的强度的增加而增加，随键连原子的质量增加而减少。化学键的力常数越大，原子折合质量越小，则振动频率越高，吸收峰将出现在高波数区（即短波区）。当振动频率和入射光的频率一致时，入射光就被吸收。因而同一基团基本上总是相对稳定地在某一稳定范围内出现吸收峰。根据红外光谱与分子结构的关系，谱图中每一个特征吸收谱带都对应于某化合物的质点或基团振动的形式。因此，特征吸收谱带的数目、位置、形状及强度取决于分子中各基团（化学键）的振动形式和所处的化学环境。只要掌握了各种基团的振动频率（基团频率）及其位移规律，即可利用基团振动频率与分子结构的关系，

来确定

吸收谱带的归属，确定分子中所含的基团或键，并进而由其特征振动频率的位移、谱带强度和形状的改变，来推定分子结构。

作为红外光谱的特点，首先是应用面广，提供信息多且具有特征性，故把红外光谱通称为" 分子指纹" 。它最广泛的应用还在于对物质的化学组成进行分析。用红外光谱法可以根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物的结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量。其次，它不受样品相态的限制，无论是固态、液态以及气态都能直接测定，甚至对一些表面涂层和不溶、不熔融的弹性体（如橡胶）也可直接获得其光谱。它也不受熔点、沸点和蒸气压的限制，样品用量少且可回收，是属于非破坏分析。而作为红外光谱的测定工具-红外光谱仪，与其他近代分析仪器（如核磁共振波谱仪、质谱仪等）比较，构造简单，操作方便，价格便宜。因此，它已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具。

【仪器与试剂】

1. 仪器：FTIR920型傅立叶变换红外光谱仪(天津拓普光学仪器厂)

2. 试剂：马来酸(分析纯) 、溴化钾（光谱纯）。

3. 红外光谱仪(FT)的构造及工作原理

(1)光源红外光谱仪(FTIR)中所用的光源通常是一种惰性固体，用电加热使之发射高强度连续红外辐射，如空冷陶瓷光源。随着科技的发展，一种黑体空腔光源被研制出来。它的输出能量远远高于空冷陶瓷光源，可达到60％以上。

(2)迈克尔逊干涉仪其作用是将光源发出的红外辐射转变成干涉光，特点是输出能量大、分辨率高、波数精度高（它采用激光干涉条纹准确测定光差，故使其测定的波数更为精确）、且扫描平稳、重线性好。

(3)探测器

(4)计算机

功能。

(5)样品池用能透过红外光的透光材料制作样品池的窗片，通常用KBr 或NaCl 做样品池的窗片。

(6)红外光谱仪（FTIR ）的工作原理

FTIR 是基于光相干性原理而设计的干涉型红外光谱仪。它不同于依据光的折射和衍射而设计的色散型红外光谱仪。它与棱镜和光栅的红外光谱仪比较，称

其作用是将光信号转变为电信号，特点是扫描速度快（一般在1s 内特点是各种数据处理快，且具有色散型红外光谱仪所不具备的多种可完成全谱扫描）、灵敏度高。

为第三代红外光谱仪。但由于干涉仪不能得到人们业已习惯并熟知的光源的光谱图，而是光源的干涉图。为此可根据数学上的傅立叶变换函数的特性，利用电子计算机将其光源的干涉图转换成光源的光谱图。亦即是将以光程差为函数的干涉图变换成以波长为函数的光谱图，故将这种干涉型红外光谱仪称为傅立叶变换红外光谱仪。确切地说，即光源发出的红外辐射经干涉仪转变成干涉光，通过试样后得到含试样信息的干涉图，由电子计算机采集，并经过快速傅立叶变换，得到吸收强度或透光度随频率或波数变化的红外光谱图。

【试样的制备】

测定试样的红外光谱时，必须依据试样的状态，分析的目的和测定装置的种类等条件，选择能够得到最满意的结果的试样制备方法。若选择的试样制备方法不合适，也就不能充分发挥测定的效力，甚至还可能导致错误的结论，因而不能轻视试样的制备及处理方法。这是因为要获得一个良好的光谱记录，除了与仪器性能有关外，还要受到操作技术的影响。而在操作技术中，一是试样的制备及处理技术，一是光谱的记录条件。所以，在红外光谱法中，试样的制备及处理占有重要的地位。如果试样处理不当，那么即使仪器的性能很好，也不能得到满意的红外光谱图。一般来说，在制备试样时应注意下述各点。

（1）试样的浓度和测试厚度应选择适当，浓度太小，厚度太薄，会使一些弱的吸收峰和光谱的细微部分不能显示出来；过大，过厚，又会使强的吸收峰超越标尺刻度而无法确定它的真实位置。

（2）试样中不应含有游离水。水分的存在不仅会侵蚀吸收池的盐窗，而且水分本身在红外区有吸收，将使测得的光谱图变形。

（3）试样应该是单一组分的纯物质。多组分试样在测定前应尽量预先进行组分分离（如采用色谱法、精密蒸馏、重结晶、区域熔融法等），否则各组分光谱相互重叠，以致对谱图无法进行正确的解释。

试样的制备，根据其集聚状态可进行如下。

1. 固体试样

（1）压片法在红外光谱的测定上被广泛用于固体试样调制剂的有KBr 、KCl ，它们的共同特点是在中红外区（4000～400cm -1）完全透明，没有吸收峰。被测样品与它们的配比通常是1：100，即取固体试样1～3mg ，在玛瑙研钵中研细，再加入100～300mg 磨细干燥的KBr 或KCl 粉末，混合研磨均匀，使其粒度在

2.5μm（通过250目筛孔）以下，放入锭剂成型器中。加压（5～10t/cm2）3分钟

左右即可得到一定直径及厚度的透明片，然后将此薄片放在仪器的样品窗口上进行测定。

（2）熔融法将熔点低且对热又稳定的试样，直接放在可拆池的窗片上，用红外灯烘烤，使之受热变成流动性的液体，盖上另一个窗片，按压使其展成一均匀薄膜，逐渐冷却固化后测定。

（3）薄膜法将试样溶于适当的低沸点溶剂中，而后取其溶液滴洒在成膜介质（水银、平板玻璃、平面塑料板或金属板等）上，使其溶剂自然的蒸发，揭下薄膜进行测定。薄膜厚度一般约为0.05～0.1mm 。

（4）附着法有些高分子物质，结晶性物质或象细菌膜那样的生物体试样，不能用溶液成膜法得到所需的薄膜，可将其试样溶液直接滴在盐片上展开，当溶剂蒸发后，在盐片的表面上形成薄的附着层即可直接测试。

（5）涂膜法对于那些熔点低、在熔融时又不分解、升华或发生其它化学反应的物质，可将它们直接加热熔融后涂在盐片上，上机测试；另外对于不易挥发的粘、稠状样品，也可直接涂在盐片上（厚度一般约为0.02mm ），上机测试。

2. 液体试样

（1）沸点较高试样，直接滴在两块盐片之间，形成液膜（液膜法），上机测试。

（2）沸点较低，挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中，液层厚度一般约为0.01～1mm 。

3. 气态试样

使用气体吸收池，先将吸收池内空气抽去，然后注入被测试样。

【实验内容】

1. 样品制备：用压片法对马来酸进行样品制备。

2. 数据处理

用几种常用的谱图解析方法对马来酸的谱图进行解析，找出其特征吸收峰，确定其各振动形式。

【注意事项】

1. 仪器的使用温度在180C 到280C 之间，相对湿度不能超过65%，应远离腐蚀性以及易燃气体，避免震动或者减小震动，交流供电必须按照当地的规定合理的接地。

2. 用压片法时，一定要用镊子从锭剂成型器中取出压好的薄片，而不能用手拿，以免玷污薄片。

3. 实验完毕，所用制样工具研钵、磨具等均需用无水乙醇或丙酮擦洗干净，在红外灯下烘干，模具要放入干燥器中保存，以免锈蚀。液体池岩盐窗片，要用沾有挥发性溶剂如CCl 4、CHCl 3和CS 2等的脱脂棉轻轻擦拭干净，用干燥空气或氮气吹下，保存干燥器中。

补充：

【谱图解析】

所谓谱图解析就是根据实际上测绘的红外光谱所出现的吸收谱带的位置、强度和形状，利用基团振动频率与分子结构的关系，来确定吸收谱带的归属，确认分子中所含的基团或键，并进而由其特征振动频率的位移、谱带强度和形状的改变，来推定分子结构。有机化合物的种类很多，但大多数都由C 、H 、O 、N 、S 卤素等元素构成，而其中大部分又是仅由C 、H 、O 、N 四种元素组成。所以说大部分有机物质的红外光谱基本上都是由这四种元素所形成的化学键的振动贡献的。研究大量化合物的红外光谱后发现，同一类型的化学键的振动频率是非常相近的，总是出现在某一范围内。例如CH 3CH 2Cl 中的CH 3基团具有一定的吸收谱带，而很多具有CH 3基团的化合物，在这个频率附近（3000～2800cm -1）亦出现吸收峰，因此可以认为此出现CH 3吸收峰的频率是CH 3基团的特征频率。这个与一定的结构单元相联系的振动频率称为基团频率。但是它们又有差别，因为同一类型的基团在不同的物质中所处的环境各不相同，这种差别常常能反映出结构上的特点。例如C=O伸缩振动的频率范围在1850～1600cm -1，当与此基团相连接的原子是C 、O 、N 时，C=O谱带分别出现在1715cm -1，1735cm -1，1680cm -1处，根据这一差别可区分酮、酯和酰胺。因此，特征吸收峰的位置和强度取决于分子中各基团（化学键）的振动形式和所处的化学环境。只要掌握了各种基团的振动频率（基团频率）及其位移规律，就可应用红外光谱来检定化合物中存在的基团及其在分子中的相对位置。为了准确地解析谱图，有必要先排除可能出现的" 假谱带" （非试样本身的吸收）以及微量杂质的存在所造成的红外光谱的变化。常见的" 假谱带" 主要有水（3400cm -1、1640cm -1、650cm -1）和二氧化碳（2350cm -1、667cm -1）的吸收。水分的引入可能由于试样本身混有微量水或试样与空气接触而吸湿以及在样品的制备过程中使用溶剂或锭剂等而造成的。二氧化碳的吸收是由于某些试样能吸附二氧化碳，特别是某些液体试样长期保存在干冰中容易造成二氧化碳被吸收。

总之，未解析前一定要根据试样的来源和制备方法以及试样的性质来区分和

确认谱图的可靠性。其谱图解析的程序可大体分为两步：

（1）所含的基团或键的类型

每种分子都具有其特征的红外光谱，谱图上的每个吸收谱带是代表分子中某一基团或键的一种振动形式，并可由特征吸收谱带的位置、强度和形状确定所含基团或键的类型。以甲基为例，在2960cm -1、2870cm -1、1450cm -1、1380cm -1附近出现了四个特征吸收谱带，分别归属甲基的C-H 反对称和对称伸缩振动和变形振动的吸收，且有其一定的相对强度顺序和形状。这四个特征吸收谱带就作为甲基的指纹，来确认试样中甲基存在与否。但由于分子结构和测量环境等的不同，其特征吸收谱带的位置，将做相应的移动，就可进一步推测属于何种化合物中的甲基。有机化合物的基团或键的特征频率已由实验上测得并汇集成基团或键的特征频率表，因而我们可以借助于查" 字典" 的方法来确认基团或键的类型。但在实际的谱图解析中，首先从基团判别区（4000～1350cm -1）入手，按谱图上出现的强峰到弱峰的顺序，依次加以确认，并结合指纹区（1350～850cm -1）的吸收加以肯定。指纹区虽没有明显的基团或键与特征振动频率的对应关系，但它能反映整个分子结构的特点，尤其是对分子骨架的振动吸收很敏感。以醇类的羟基（缔合的）为例，虽然可由基团判别区的3400cm-1附近的伸缩振动吸收加以确认，但尚不能肯定是伯醇、仲醇或叔醇，而必须结合指纹区的1040～1160cm -1的吸收谱带的位置予以推断。伯醇出现在1050cm -1、仲醇出现在1100cm -1、叔醇出现在1150cm -1。因而作为官能团的定性，必须通过基团判别区和指纹区的特征吸收加以综合推定。但当两个基团或键的特征频率较接近时，尤其在共存的情况下，由谱图直接辨认是异常困难的。例如羟基（缔合的）和仲胺基共存的场合，由于两者的伸缩振动频率和变形振动频率都很相近，于是给推断增加了困难。遇到这种情况，可根据溶剂对特征吸收谱带位置的影响而加以分离鉴定。亦可利用化学反应制备衍生物等方法，可以方便的确定分子中所含有的基团或键。

（2）推定分子结构

根据特征吸收谱带和分子结构的关系，依据谱图上出现的特征吸收谱带的位置、强度、形状来确定分子中各个基团或键所邻接的原子或原子团（可参照各类化合物的特征振动频率图表和有关文献），并结合前述的两步，就可推定分子中原子的相互连接方式，亦即是分子结构。但应着重指出，依据分子红外光谱推定分子结构主要是从基团或键的特征振动频率位移，来推定基团或键所邻接的原子或原子团，因而对其特征振动频率位移的规律要侧重的加以掌握和熟记，特别是

对前人已做过的工作要尽可能地加以收集、归纳、总结和运用。具体解析方法：

a. 直接法将未知物的红外光谱图与已知化合物的红外光谱图直接进行比较。这就要求样品与标准物在相同条件下记录光谱，既要使用仪器的性能（如所用仪器分辨率高，则在某些峰的细微结构上会有差别）和谱图的表示方式（等波数间隔或等波长间隔）相同的仪器，而且样品的制备方法也要一致（指样品的物理状态、样品浓度及溶剂等）。若不同则谱图也会有差异。尤其是溶剂因素影响较大，须加注意，以免得出错误的结论。如果只是样品浓度不同，则峰的强度会改变，但是每个峰的强弱顺序（相对强度）通常应该是一致的。固体样品，因结晶条件不同，也可能出现差异，甚至差异很大。

b. 否定法根据红外光谱与分子结构的关系，谱图中某些波数的吸收峰，就反映了某种基团的存在。当谱图中不出现某吸收峰时，就可否定某种基团的存在。例如，在2975～2845cm -1区域内不出现强吸收峰，就表示不存在CH 3和CH 2。

c. 肯定法借助于红外光谱中的特征吸收峰，以确定某种特征基团存在的方法。例如，谱图中1740cm -1处有吸收峰，且在1260～1050cm -1区域内出现两个强吸收峰，波数高的表现为第一吸收，则可判断该化合物属于饱和脂类化合物。

应该说，关于识谱的程序至今并无一定规则，在实际工作中，往往是三种方法联合使用，以便得出正确的结论。

无机化合物的基团振动频率：

红外光谱图中的每一个吸收谱带都对应于某化合物的质点或基团振动的形式，而无机化合物在中红外区的吸收，主要是由阴离子（团）的晶格振动引起的，它的吸收谱带位置与阳离子的关系较小，通常当阳离子的原子序数增大时，阴离子团的吸收位置将向低波数方向做微小的位移。因此，在鉴别无机化合物的红外光谱图时，主要着重于阴离子团的振动频率。而与有机物比较，无机化合物的红外鉴定为数较少。但是无机化合物的红外光谱图比有机化合物简单，谱带数较少，并且很大部分是在1600cm -1以下低频区，在650～400cm -1的尤多。

两个红外光谱中常用的术语：

特征吸收峰-代表某种官能团存在并有较高强度的吸收峰。

特征频率-特征吸收峰所在的位置。

特征频率具有如下特点：不同化合物中，同种基团的吸收峰位置大致相同，不受分子其余部分的影响或影响较小。例如羰基（C=O）的伸缩振动吸收峰在各种化合物中总是出现在1800～1650cm -1之间，一般在1710cm -1处。再如，当化合物

中有C≡C键时，其吸收峰总是出现在2500～2000cm -1之间。

分子的振动形式可分为两类：

(1)伸缩振动

①对称伸缩振动（σs ）；

②反对称伸缩振动（σas ）；

(2)变形或弯曲振动

①面内变形振动（δ）；

剪式振动（δ）；

面内摇摆振动（ρ）；

②面外变形振动（γ）；

面外摇摆振动（ω）；

扭曲变形振动（τ）。

上述每种振动形式都具有其特定的振动频率，也即有相应的红外吸收峰。有机化合物一般由多原子组成，因此红外吸收光谱的谱峰一般较多。红外光谱的吸收强度常定性地用s （强）；m （中等）；w （弱）；vw （极弱）等来表示。

【思考题】

1. 特征吸收峰的数目、位置、形状和强度取决于哪两个主要因素？

2. 如何用红外光谱鉴定化合物中存在的基团及其在分子中的相对位置？

撰写人：秦国旭